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Gegenstand der vorliegenden Patentanmeldung sind
ein Verfahren zum Messen der Keratometrie, das heißt ein
Verfahren zum Messen der Radien der Außenseite der
Hornhaut des Auges, sowie eine Autokeratometer genannte
automatische Vorrichtung zur Durchführung dieses
Verfahrens.
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Bekanntlich wird die Bornhaut des Auges in erster
Annäherung als kugelförmig betrachtet, doch in
Wirklichkeit ist sie in den meisten Fällen mit einer Ringfläche
vergleichbar, mit einer Hauptachse, wo sich der größte
Krümmungsradius befindet, und einer zu ihr orthogonalen
Nebenachse, wo sich der kleinste Krümmungsradius
befindet. Das Ziel der Messung ist es dann, den Wert des
großen Krümmungsradius, den des kleinen Krummungsradius
sowie die Winkelposition der Eauptachse der Hornhaut zu
bestimmen. Die Kenntnis dieser Elemente ist in der
Ophthalmologie in der Tat wichtig, zum Zwecke der
Korrektur, da die auf die Hornhaut zurückzuführende Konvergenz
den Hauptanteil an der Konvergenz des Auges hat.
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Bekannt ist ein Verfahren zum automatischen
Messen der Keratometrie, bei dem man, um die Werte des
großen und des kleinen Krümmungsradius der Bornhaut sowie
den Wert der Winkelposition der Hauptachse zu bestimmen,
die folgenden Schritte ausführt:
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- Anordnung einer Lichtquelle von der Form eines
kreisförmigen Kranzes vor der Bornhaut des zu
untersuchenden Auges,
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- Zerlegung des von der Bornhaut erzeugten
elliptischen Bildes der Lichtquelle in fünf verschiedene
Bilder, welche relativ zueinander verschoben und
verdreht sind,
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Zwischenschalten eines linearen Fotodiodenelemnentes
an jedem der so erhaltenen fünf Bildteile, derart,
daß sich in Abhängigkeit von der Gestalt der Ellipse
der Schnittpunkt eines jeden Bildteiles mit dem
linearen Element mehr oder weniger nahe am Beginn
dieses Elementes befindet, so daß dadurch fünf
Verarbeitung dieser fünf Informationen mittels
Rechner, mit Hilfe einer geeigneten Software, um den
Verlauf der Ellipse zu ermitteln, und Berechnung der
Werte der zwei Krümmungsradien und der
Winkelposition der Hauptachse.
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Dieses Verfahren, bei dem die Zerlegung eines von
der Hornhaut erzeugten Bildes in fünf Teile angewandt
wird, weist den Nachteil auf, daß eine komplexe optische
Vorrichtung benötigt wird, die unter anderem ein Prisma
in der Form einer fünf seitigen Pyramide umf aßt, das teuer
ist und dessen Einstellung schwierig ist. Die gleichfalls
erforderlichen elektronischen Bauteile sind zahlreich,
was sich auf den Selbstkostenpreis nachteilig auswirkt
und Schwierigkeiten beim Einstellen zur Folge hat.
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Außerdem ist die Anzahl der nützlichen Informationen, die
erfaßt und verarbeitet werden, recht klein, was sich auf
die Genauigkeit der vorgenommenen Messung auswirken kann.
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Aus dem Dokument US-A-4 609 287 ist ein Verfahren
der automatischen Keratometrie bekannt, bei welchem drei
kollimierte und zur optischen Achse parallele
Lichtstrahlen verwendet werden, die auf die auszumessende
Hornhaut gelenkt werden. Die drei Strahlen werden durch
das Diopter der Hornhaut reflektiert und werden einzeln
durch eine Linse und einen Spiegel aufgefangen, die sie
fokussieren und sie auf ein und denselben Fotodetektor
zurückwerfen, der in der optischen Achse der
Quellenstrahlen angeordnet ist.
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Das Dokument US-A-4 275 964 beschreibt einen
automatischen Scheitelbrechwertmesser, der verschiedene
Mittel für die Umwandlung des Bildes der zu messenden
Ellipse in auswertbare elektronische Signale umfaßt.
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Gemäß einer beschriebenen Ausführungsform wird das Bild
der Ellipse durch Öffnungen abgetastet, die spiralförmig
auf einer Maske angeordnet sind, welche durch einen
Schrittmotor angetrieben und gesteuert wird. Die
Lichtsignale, die erhalten werden, wenn eine Öffnung das Bild
der Ellipse passiert, werden mittels einer Linse auf eine
Einelementenfotodiode fokussiert.
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Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, die
Nachteile, welche die bekannten Verfahren zum
automatischen Messen der Keratometrie aufweisen, zu überwinden,
und in ihr werden zu diesem Zweck ein Verfahren zum
automatischen Messen der Keratometrie sowie eine
Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens vorgeschlagen,
welche einen niedrigen Selbstkostenpreis haben, Meßwerte
mit ausgezeichneter Genauigkeit liefern und keine
komplizierten Einstellungen erfordern.
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Erfindungsgemäß besteht das Verfahren zum
automatischen Messen der Keratometrie aus den folgenden
aufeinanderfolgenden Phasen:
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Anordnung einer Lichtquelle in Form eines
kreisförmigen Kranzes vor der Hornhaut des zu untersuchenden
Auges,
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- Umwandlung des von der Hornhaut erzeugten
elliptischen Bildes der besagten Quelle in ein
videoelektronisches Signal, welches aus einer Folge von
video-elektronischen Zeilen besteht, die jeweils
einer horizontalen Linie des Bildes entsprechen,
wobei die Amplitude des Signals eine Funktion der
Helligkeit des Bildes im Verhältnis zu seinem
Hintergrund ist,
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- Messung von für das Bild kennzeichnenden
Zeitdauer-Informationen auf jeder der video-elektronischen
Zeilen des Signals und
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- Verarbeitung der Gesamtmenge der ausgehend von der
Gesamtheit der video-elektronischen Zeilen des
Signals erhaltenen Informationen mittels Rechner und
mit Hilfe einer geeigneten Software, um daraus die
gesuchten Informationen betreffs der Werte des
großen Krümmungsradius der Hornhaut, des kleinen
Krümmungsradius und der Winkelposition der
Hauptachse zu gewinnen.
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Genauer, gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
weist jede video-elektronische Zeile des Signals, die
einer horizontalen Linie des auf einem dunklen
Hintergrund leuchtenden elliptischen Bildes entspricht, Peaks
auf, die jeweils einer auf der betrachteten horizontalen
Linie vorhandenen Bildpartie entsprechen, wobei die
Anzahl dieser Peaks zwischen null und zwei beträgt. Für
jede video-elektronische Zeile wird eine Messung der
Dauer vom Anfang der Zeile bis zum ersten Peak und danach
der Dauer vom ersten Peak bis zum zweiten vorgenommen;
diese beiden Zeitdauer-Informationen (welche die Ellipse
numerisch beschreiben) für jede der Zeilen der Folge von
video-elektronischen Zeilen des Signals sind es, die
durch den Rechner verarbeitet werden, so daß die
gesuchten Werte der Längen des großen und des kleinen
Krümmungsradius sowie der Winkelposition der Hauptachse
erhalten werden.
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Erfindungsgeinäß umf aßt die für die Durchführung
dieses Verfahrens verwendete Vorrichtung eine Lichtquelle
von der Form eines Kreises, die vor der Hornhaut
anzuordnen ist, eine Matrixkamera und ein optisches System,
das zwischen dem zu untersuchenden Auge und der
Matrixkamera eingesetzt wird, um das von der Hornhaut erzeugte
optische Bild der Lichtquelle auf die Matrixkamera zu
übertragen, sowie eine elektronische Vorrichtung, die an
den Ausgang der Matrixkamera angeschlossen ist und dazu
dient, das von dieser Kamera gelieferte
video-elektronische Signal numerisch zu verarbeiten.
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Es ist einzusehen, daß die erf indungsgemaße
Vorrichtung zum automatischen Messen der Keratometrie,
auch Autokeratometer genannt, für sich allein eingesetzt
werden kann, daß sie aber auch in vorteilhafter Weise mit
einem herkömmlichen automatischen Refraktometer-Gerät
kombiniert werden kann, derart, daß unter Verwendung
einer bestimmten Anzahl von Elementen der allgemeinen
Struktur dieses Refraktometers eine einzige Vorrichtung
geschaffen wird, welche die beiden Funktionen
(Autorefraktometer und Autokeratometer) erfüllt, ohne daß ihre
Kosten wesentlich höher wären als die des
Autorefraktometers allein.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung wird
nachfolgend als Beispiel, das die Erfindung nicht
einschränkt, eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben,
unter Bezugnahme auf die beiliegende schematische
Zeichnung, wobei:
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die Abbildung 1 ein Prinzipschema einer
automatischen Keratometer-Vorrichtung ist, die für die
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
vorgesehen ist;
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die Abbildung 2 eine Ansicht des elliptischen
optischen Bildes ist, das von der Matrixkamera der
Vorrichtung der Abbildung 1 erfaßt wird;
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die Abbildung 3 ein Schema ist, das eine von der
Matrixkamera gelieferte video-elektronische
Signalzeile zeigt und einer horizontalen Linie des Bildes
der Abbildung 2 entspricht;
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die Abbildung 4 ein der Abbildung 3 entsprechendes
Schema ist, das die video-elektronische Signalzeile
nach der Binarisierung des Signals durch Vergleich
mit einem Schwellenwert zeigt;
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die Abbildung 5 ein der Abbildung 4 entsprechendes
Schema ist, das die video-elektronische Signalzeile
nach der Verarbeitung zur Ermittlung der Zeitdauern
zeigt.
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Es wird nun auf die Abbildung 1 Bezug genommen,
in der durch 1 das zu untersuchende Auge und durch 2 die
Hornhaut schematisch dargestellt ist, für die man die
Werte der charakteristischen Größen erhalten möchte,
nämlich die Länge des großen Krümmungsradius, die des
kleinen Krümmungsradius und die Winkelposition der
Hauptachse. Durch 3 wurde eine Elektronenblitzröhre
dargestellt, die eine Lichtquelle in Form eines
kreisförmigen Kranzes darstellt, von der die Hornhaut 2, die
wie ein Spiegel wirkt, ein elliptisches Bild liefert. Ein
optisches Dublett 4 gestattet es, dieses Bild auf eine
CCD-Matrixkamera 5, eine sogenannte Kamera "mit festem
Abbildungssystem", zu übertragen. Die Abbildung 2 zeigt
das optische Bild 6, das der Kamera 5 geliefert wird und
das aus dem elliptischen Bild eines leuchtenden Kreises
7 vor einem dunklen Hintergrund 8 besteht.
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Die Kamera 5 liefert dann ein der CCIR-Norm
entsprechendes video-elektronisches Signal, welches das
Bild 6 vollständig beschreibt und sich aus zwei
Teilbildern von je 288 Bildzeilen zusammensetzt, wobei jede
Bildzeile eine horizontale Linie des Bildes 6
repräsentiert und wobei die Amplitude des elektronischen Signals
auf der Bildzeile um so größer ist, je heller das Bild
ist. In der Abbildung 3 wurde eine Videosignalzeile 9
dargestellt, die der horizontalen Linie 10 des optischen
Bildes 6 entspricht. Man erkennt, daß die Amplitude des
Signals zwei Peaks 11, 12 aufweist, welche den Partien 13
bzw. 14 des elliptischen Bildes 7 auf der Linie 10
entsprechen.
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Mit Hilfe einer an den Ausgang der Kamera 5
angeschlossenen Elektronikkarte 15 werden für jede der
Zeilen 9 des Videosignals im Echtzeitbetrieb Operationen
ausgeführt, welche aus folgendem bestehen:
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- einer Binarisierung des Signals durch seinen
Vergleich mit einem Schwellenwert (in der Abbildung 3
mit 16 bezeichnet), so daß ein Signal mit zwei Peaks
17, 18 ohne Graustufen erhalten wird (siehe
Abbildung 4),
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- einer Messung der Zeitdauer t&sub1; vom Beginn der
Videosignalzeile bis zum ersten Peak 17 sowie der
Zeitdauer t&sub2; vom ersten Peak 17 bis zum zweiten Peak 18
(siehe Abbildung 5).
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Diese zwei Werte, die für jede der 576 Bildzeilen
der Teilbilder des Videosignals erhalten werden, dienen
als Eingangsgrößen für eine Mikroprozessorkarte 19 und
stellen somit maximal 1152 Werte dar, welche das Bild von
elliptischer Form numerisch beschreiben. Es genügt dann,
diese Werte mit Hilfe eines Algorithmus einer geeigneten
Software zu verarbeiten, um daraus die gesuchten Werte
des großen Krümmungsradius, des kleinen Krümmungsradius
und der Winkelposition der Hauptachse der Hornhaut 2 des
untersuchten Auges 1 zu ermitteln.
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Es ist anzumerken, daß das automatische
Keratometer gemäß der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter
Weise mit einem herkömmlichen automatischen Refraktometer
gekoppelt werden kann, so daß dann eine einzige
Vorrichtung entsteht, die beide Funktionen erfüllt und deren
zusätzliche Kosten im Vergleich zu dem automatischen
Refraktometer-Gerät allein gering sind. In der Tat
vermeidet man in diesem Falle die Duplikation einer
bestimmten Zahl von Elementen der allgemeinen Struktur
der Vorrichtung, welche für beide Funktionen verwendbar
sind.
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Es versteht sich von selbst, daß die obenstehende
Beschreibung nur ein Beispiel ohne einschränkenden
Charakter darstellt, und daß hierbei Ergänzungen oder
konstruktive Änderungen vorgenommen werden könnten, ohne
daß dadurch der Rahmen der durch die nachfolgenden
Ansprüche bestimmten Erfindung verlassen wird.